万变不离其宗之SPI总线要点总结

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[导读] 前面总结了UART/I2C的技术要点，SPI相对I2C而言，比较简单。本文来总结一下SPI总线个人认为比较重要的一些技术要点。

什么是SPI？

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一种嵌入式系统中应用广泛的同步串行通信、主从架构式总线接口。80年代由摩托罗拉开发，已成为事实标准。

这句话里有几个关键要点：

• 同步

• 串行

• 通信

• 主从

• 总线

要理解这些要点，先上图，一图胜千言：

常见的SPI接口有这样几个引脚：

• SCLK: 串行时钟，总是主端负责输出(Master)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

• MOSI:主出从入（Master Output Slave Input)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

• MISO:主入从出(Master Input Slave Output)。总是由从端控制该信号，主端为输入采样。

• :从选择信号(Slave Select)。总是由主端控制该信号，从端为输入采样。

要理解上面这几个信号引脚的内涵，结合时序图，就比较容易理解了：

数字电路中，同步电路是一种通过时钟信号同步存储元件状态变化的数字电路。

• 主端>从端：

  • ：主端发送低电平先选通从芯片，上面加帽表示低有效。啥意思呢？就是这个脚低电平期间选中从设备，主设备发送的时序报文对选中的从设备有效，其他挂载在总线上的设备忽略总线报文。

  • SCLK/SCK：发送同步移位时钟。

  • MOSI：将数据按照SCLK移位时钟周期，将数据移位发送至该引脚。被选中的从设备依照SCLK/SCK上升沿或者下降沿，按位采样，一般字节的高位在前，具体须遵从芯片手册时序定义。从端依赖SCK/SCLK对MOSI上的信号逐位采样，采样的位依次进入接收移位寄存器，完成对字节的重组。当字节接收完成，再由后续数字电路进行处理。后续处理芯片实现各异，如是一个单片机则可能引发中断请求，如是特定功能数字芯片，则依据接收报文完成相应的功能处理。

• 从端>主端:

  • ：主芯片发送低电平先选通从芯片。

  • SCLK/SCK：发送同步移位时钟。

  • MISO: 类似MOSI发送位流，依赖SCLK/SCK将位流依次发送至引脚上，主设备在同步时钟的跳变边沿采样该引脚，进而移位接收位流。

• 采样沿：SPI采用边沿触发采样、移位发送，CPHA/CPOL组合形成四种SPI时序模式：

  1.CPOL = 0低电平为空闲，数据线在时钟为低时可改变，两根数据线在时钟高电平期间须保持稳定，分两种情况：
     1.1 CPHA=0时，输入侧上升沿采样，输出侧在下降沿移位输出到线上
     1.2 CPHA=1时，输入侧下降沿采样，输出侧在上升沿移位输出到线上

  2.CPOL = 1高电平空闲，两根数据线在时钟为高时可改变，两根数据线在低电平期间须保持稳定。分两种情况：
     2.1 CPHA=0，输入侧在下降沿采样，输出侧在上升沿移位输出到线上
     2.2 CPHA=1，输入侧在上升沿采样，输出侧在下降沿移位输出到线上

  这里输入输出是相对的。CPOL（clock polarity)控制时钟的极性，CPHA(phase relative to clock)控制相对于时钟的时序相位。CPOL/CPHA排列组合形成四种SPI工作时序模式。

  如用逻辑分析仪调试时，需要与设备的时序设置成一样才能正确解析总线报文。

经过这些描述，解释了串行、同步、主从的概念。

什么是通信？

众所周知，计算机是一个二进制系统，所有的信息都是基于0/1进行编码、进行运行管理的。由0/1编码进而表示字符、文本、文件。那么SPI实现了底层的0/1码流的传递机制，能传递0/1，通过应用控制、很自然就能交换信息。

这是否有种一生二、二生三、三生万物的意思呢？

所以在研究各种通信总线的物理层时，就其本质而言都是界定如何对信息流的基本单元0/1进行编码、解码、收发的。

什么是SPI总线呢？

对于SPI总线而言，有两种拓扑：

• 独立片选拓扑：总线拓扑需要更多片选引脚，但通信效率高。信息直接在主从间传递

• 菊花链拓扑：节省引脚，但效率较低，数据信息传递需要级联传递。

独立片选拓扑

如上图：

• 每个从设备都有独立的片选引脚，主机同一时间段内，与一个从设备进行通信，也即选中一个从设备。

• MOSI/MISO/SCLK并联在一起

• MISO须是三态门，当从设备未选中时，该脚须设置为高阻态，而不能是输出态，否则会影响总线，这句话对于多从设备应用而言，请重点理解。尤其当用GPIO模拟SPI应用而言，须特别注意这一点！

• 对于MOSI/SCLK，虽然并联在一起，但是由于仅一个输出，多输入。输入引脚的阻抗本来就是高阻，所以不会有问题。

菊花链拓扑

有的芯片支持菊花链拓扑连接，这是何意呢？啥是菊花链呢？在电气和电子工程中，雏菊链是一种布线方案，其中多个设备按顺序或按环连接在一起，类似于雏菊的花环。其信息传递在链中流转。

那么对于SPI总线而言，具体是如何连接的呢？

其本质就是主从级联：

• 共用SCLK/，这两根线并联在一起

• 主MOSI连次级MOSI，次级MISO连次次级的MOSI....,然后由最后一级的MISO再送回到主设备的MISO。

  

• 某级从设备在第N组时钟周期用MISO发送第N-1组时钟周期接收到位给下级设备，同时把本组时钟周期期间前级设备通过MISO移位进来的数据保存按位序保存进接收寄存器中。其实在底层是按照位进行流转的。这个传递过程当变为高电平时则停止，各从设备当前寄存器中内容锁定了。具体应用时，如果要将某一字节传递到某个设备，则需要组织好传递的码流，以及时钟控制。

• 对于菊花链数据传递过程，其实类似于击鼓传花游戏。鼓点的作用就是同步时钟，花则是要传递的信息数据，鼓点的起停则类似于片选控制，唯一不同的是，击鼓传花传的是一朵花，而菊花链总线传递的是二进制流，至于从设备究竟要怎么应用这些数据流，则具体实现各异。

其实熟悉数据结构的同学可能会想，这个拓扑咋很像首尾相连的环形链表呢？确实很像，虽然没啥直接关系。

引脚的别名

对于SPI的引脚，不同的芯片厂商在DATASHEET上定义的引脚名字可能不同，这里将常见的别名整理一下：

• MOSI主出从入:

  • SIMO, MTSR

  • SDI, DI, DIN, SI

  • SDO, DO, DOUT, SO

• MISO主入从出

  • SOMI, MRST

  • SDO, DO, DOUT, SO

  • SDI, DI, DIN, SI

• 片选

  • S̅S̅, SSEL, CS, C̅S̅, CE, nSS, /SS, SS

很多功能芯片可能没有MISO引脚，也即无法支持读操作，仅仅支持写入操作。

SPI优缺点

优势：

• 传输速度高，SPI并未限定最高速度。有的应用甚至高达10Mbps。

• 全双工，但有的芯片没有MISO，则不支持。

• 相较于I2C而言，SPI简单一些，编程容易，控制简单

• 信号为单向信号，易于电隔离。尤其在工业产品中电气隔离在抗干扰方面、以及本质安全方面要求比较高。

• 没有复杂的总线仲裁机制，相对健壮。

劣势：

• 无寻址机制，需要额外的片选信号

• SPI总线对于多从模式支持不好，两种拓扑都无法支持很多从设备，而且系统中也仅有一个主设备

• 没有定义错误检测机制

• 事实上的标准，但无正式标准

• 与I2C一样也只是芯片间总线，无法长距离通信

总结一下

或许有人会说I2C比SPI更好更为优越，SPI则相对简单粗暴。事实上做这样的对比，个人认为是没什么意义。

这两种协议在鲁棒性方面都比较好。I²C之所以优雅，是因为它在极简的基础架构（两线SDA/SCL）上提供了非常先进的功能，例如自动多主机冲突处理和内置地址管理。但是它相对却非常复杂，在性能上或许有所欠缺。

另一方面，SPI非常易于理解和实施，并且为扩展提供了很大的灵活性。SPI的优雅之处在于简单性。SPI应该被视为构建用于IC之间通信的自定义协议栈的良好接口。因此，尽管使用SPI可能需要做更多的工作，但可以提供更高的数据传输性能和灵活的自由度。

如果一定要比较，则SPI和I2C都为低速设备的通信提供了良好的接口支持，但是SPI更适合点对点传输数据流的应用，而I²C则更适合于多主机“寄存器访问”应用。

正确使用这两种协议可提供相同级别的鲁棒性，芯片厂商对两种接口都广泛支持。市面上提供了大量的外围芯片，比如 EEPROM，ADC，DAC，RTC，微控制器，传感器，LCD控制器，这些芯片主要提供I²C，SPI或同时支持这2个接口。

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